Aufnahme elektromagnetische Aktivität des Gehirns während der Verabreichung von Lachgas bei gesunden Probanden und gasförmiger Anästhetika Xenon

Der Zweck dieses Experiments besteht darin, Veränderungen der elektromagnetischen Aktivität des Gehirns als Reaktion auf die Verabreichung der beiden gasförmigen dissoziativen Wirkstoffe Xenon und Distickstoffmonoxid an gesunde Teilnehmer in einem Zwei-Wege-Crossover-Design mit wiederholten Messungen zu charakterisieren. Aufgrund der Komplexität des Experiments ist es wichtig, dass der Großteil der Ausrüstung vor der Ankunft der Teilnehmer aufgebaut wird. Die wichtigste davon ist die Konfiguration des EEG-Systems im magnetisch abgeschirmten Raum oder MSR.

Der EEG-Verstärker wird so weit wie möglich vom Teilnehmer entfernt im MSR platziert und muss so konfiguriert werden, dass er entweder mit einer eingebauten Batterie oder einem externen, abgeschirmten Batteriekasten mit Gleichstrom betrieben wird. Die Glasfaserkopplung vom Verstärker zum Datenerfassungsrechner sollte auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden. Schließlich sollte eine Videokamera im MSR so konfiguriert werden, dass ihr Sichtfeld das Gesicht und den oberen Thorax des Teilnehmers deutlich erfasst, so dass der Anästhesist den Atem- und Atemwegsstatus des Teilnehmers eindeutig überwachen kann.

Um konsistente und vergleichbare Daten zu erhalten, werden die Teilnehmer zunächst interviewt, um ihre Eignung für die Studie zu bestätigen. Die Teilnehmer sollten gesunde Männer im Alter von 20 bis 40 Jahren sein, die keine psychiatrischen oder neurologischen Erkrankungen haben, in jüngster Zeit Drogen- oder Alkoholkonsum konsumiert haben und keine Atemwegs- oder Herzerkrankungen haben. Die Teilnehmer sollten am Tag des Experiments glatt rasiert ankommen und mindestens sechs Stunden lang gefastet haben.

Um eine hohe Qualität der EEG-Aufzeichnungen zu gewährleisten, wird empfohlen, dass das Haar des Probanden kürzlich ohne Conditioner gewaschen wurde und dass die Kopfhaut fest gebürstet wurde, um getrocknete oder abgestorbene Haut zu entfernen. Eine MEG-kompatible EEG-Kappe mit hoher Dichte wird unter entsprechender Verwendung von leitfähigem Gel aufgebracht. Die Spulen für die Kopfpositionsanzeige werden dann an vordefinierten Stellen auf der EEG-Kappe fest befestigt.

Alle Hilfs-Biopotentialelektroden werden dann an den dafür vorgesehenen Stellen im Gesicht und am Körper des Probanden angebracht. Für die anschließende Analyse ist es wichtig, dass alle Elektroden und HPI-Spulenpositionen genau registriert werden, zusammen mit der Digitalisierung der Umrisse der Augenhöhlen, des Nasenkamms und der Wangen für die anschließende Koregistrierung mit struktureller MRT. Zwei Elektroden werden submental platziert, um den Ruhemuskeltonus aufzuzeichnen.

Elektrookulogramm- oder EOG-Aufzeichnungen werden durchgeführt, indem zwei weitere Elektroden über und unter dem Auge platziert werden. Und schließlich wird eine EKG-Ableitung mit drei Kanälen durch Elektroden auf der linken und rechten Beugeroberfläche des Handgelenks konfiguriert. Die Impedanzen der EEG-Elektroden sollten dann auf unter fünf Kiloohm überprüft werden, um High-Fidelity-Aufzeichnungen zu erhalten.

Die Dauer des Versuchs sowie die beruhigende Wirkung der verabreichten Gase machen eine Minimierung der Kopfbewegungen unerlässlich. Eine Kopfstütze aus Memory-Schaum wird angewendet, um die seitliche Kopfbewegung zu reduzieren, und ein Jutegurt wird um den Körper gebunden, um vertikale Bewegungen zu minimieren. Aufzeichnungen von kontinuierlichen Leistungsaufgaben mit geschlossenen Augen und kontinuierlichen Leistungsaufgaben bei geschlossenen Augen werden jetzt durchgeführt.

Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Verabreichung von Anästhesiegasen jederzeit von einem Anästhesisten überwacht wird. Neben der Patientenüberwachung umfasst die Rolle des Anästhesisten die Sicherstellung der angemessenen Konfiguration der Anästhesiegasabgabeeinheit, die in diesem Fall auf die Abgabe und Überwachung von Xenon spezialisiert ist. Der Anästhesist testet das Anästhesiegerät, überprüft, ob die Maske bequem sitzt und nicht ausläuft, passt die Gasflüsse an, führt eine Kanüle ein, verabreicht Antiemetika und beginnt mit der Destickorgung mit 100 % Sauerstoff mit dem Teilnehmer im MSR, bevor die endgültige postantiemetische Ausgangsdatenerfassung und der Beginn des Gasverabreichungsprotokolls

Zu diesem Zeitpunkt sitzt der Teilnehmer bequem in der MSR, nachdem er destickrogenisiert und Dexamethason und Ondansetron erhalten hat, um das Risiko von unerwünschter Übelkeit oder Erbrechen aufgrund der Gasverabreichung zu minimieren. Bevor die MSR-Tür geschlossen wird, nimmt die Anästhesieschwester oder eine andere entsprechend ausgebildete medizinische Fachkraft neben dem Teilnehmer Platz. Eine letzte Kontrolle erfolgt, ob die Blutdruckmanschette angeschlossen ist, die Knopf-Antwortfelder bequem positioniert sind und das Pulsoximeter an der Zehe oder am Finger sicher befestigt ist.

Das Protokoll fährt dann fort, vier Equi-MAC wach zu geben, die den Xenongasgehalt schrittweise erhöhen, oder drei stufenweise Distickstoffmonoxidspiegel über einen Zeitraum von jeweils 15 Minuten, um das Blut-Hirn-Gas-Gleichgewicht sicherzustellen. Jede Stufe sollte einen fünfminütigen stationären Zustand enthalten, wenn die gewünschte Gaskonzentration erreicht ist, und sollte von einer 10-minütigen Auswaschphase gefolgt werden. Bei allen Werten werden die Sauerstoff-, Kohlendioxid-, Xenon- oder Lachgaswerte kontinuierlich überwacht und elektronisch protokolliert.

Am Ende jeder Stufe werden die Teilnehmer kurz bewertet, bevor sie in höhere Stufen aufsteigen. Denn auf dem höchsten Xenon-Niveau, bei dem ein Verlust der Reaktionsfähigkeit erreicht wird, kann es leicht und unerwartet zu einer Obstruktion der Atemwege kommen, und die Probanden müssen sowohl innerhalb als auch außerhalb des MSR engmaschig überwacht und kontinuierlich von qualifiziertem Personal beurteilt werden, damit sofort alle notwendigen Maßnahmen ergriffen werden können. Nach Abschluss des Experiments gibt der Anästhesist den MSR ein und führt eine Nachbesprechung mit dem Patienten durch.

Der Teilnehmer wird dann aus dem MSR gebracht, wo das Gerät entfernt wird und ihm eine postoperative Standardanästhesieversorgung verabreicht wird. Bevor der Teilnehmer abreist, stellen Sie sicher, dass er sicher mit einem Verwandten oder Freund nach Hause reisen kann. In den nächsten 24 Stunden muss der Teilnehmer die Fragebögen zum Verfahren und zu eventuellen Nachwirkungen ausfüllen.

Dieses Video wurde in erster Linie erstellt, um die Methoden zu veranschaulichen, die bei der Verabreichung einer Gasanästhesie bei gleichzeitiger Aufzeichnung von EEG- und MEG-Daten erforderlich sind, daher werden nur sehr grundlegende Datenanalysen und repräsentative Ergebnisse präsentiert, um dem Zuschauer eine klare Vorstellung davon zu geben, wie die aufgezeichneten Daten aussehen sollten. Die grundlegenden Ergebnisse veranschaulichen Beispiele für Kopfbewegungen, den Zeitverlauf der Gaskonzentration und die Genauigkeit der auditiven Aufgaben; gefilterte artefaktfreie EEG- und MEG-Daten; EEG- und MEG-Spektren und Leistungstopographie; und auditiv evozierte Reaktionen sowohl zu Studienbeginn als auch während der Gasverabreichung. Um die grundlegenden Ergebnisse zu erstellen, wird die folgende Pipeline unter Verwendung einer Kombination aus Datenanalysesoftwareplattformen und Toolboxen verwendet.

Die MEG- und EEG-Rohdaten werden in den Dateiformaten fif bzw. cnt gespeichert. Die Kopfbewegungen werden mit der MaxFilter-Software und einem von den Autoren geschriebenen Skript berechnet, die beide verwendet werden, um Kopfbewegungen aus dem kortonischen Raum in kartesische Koordinaten umzuwandeln. Die Genauigkeit der auditiven Aufgabe und die Reaktionszeit werden dann berechnet und visualisiert, zeitlich abgestimmt mit den Zeitreihen der Kopfbewegung und der Gaskonzentration, um die Datenqualität zu beurteilen, bevor die EEG- und MEG-Daten weiterverarbeitet werden.

Der zeitliche Abgleich der Daten basiert auf den erfassten Auslösezeiten. In der Regel ist die Kopfbewegung unter Ausgangsbedingungen minimal, während bei höheren Gaskonzentrationen, die mit stärker dissoziierten oder sedierten Zuständen verbunden sind, tendenziell mehr Bewegung auftritt. Dies zeigt sich hier zum Beispiel in der 42%-Xenon-Aufnahme, bei der die obere Abbildung die Kopfbewegung und die untere die Gaskonzentration und die Genauigkeit der Höraufgabe zeigt.

Beachten Sie, dass der Verlust der Reaktionsfähigkeit zwischen 7,5 und 12,5 Minuten auftritt. Eine absolute Kopfbewegung von weniger als fünf Millimetern wird für die Bildgebung als akzeptabel angesehen. Datensegmente mit einer Bewegung von mehr als fünf Millimetern werden ignoriert.

Bei der Vorverarbeitung der MEG- und EEG-Daten geht es zunächst um die Selektion fehlerhafter Kanäle. Darauf folgt die Verwendung des tSSS-Algorithmus, um Artefakte aufgrund externer Quellen aus der MEG-Aufzeichnung zu entfernen. Der Rest der Verarbeitungspipeline umfasst die Verwendung von Datenanalyse-Softwareplattformen und zugehörigen Toolboxen für die Analyse.

Sowohl auf die MEG- als auch auf die EEG-Daten wird eine Bandpass- und Kerbfilterung angewendet, um die Analyse auf das interessierende Frequenzband zu konzentrieren. Zeiträume in den Daten, die Artefakte enthalten, werden auf der Grundlage der visuellen Inspektion zurückgewiesen, zusätzlich zur Entfernung von Zeiträumen mit übermäßigen Kopfbewegungsänderungen. Gefilterte artefaktfreie MEG- und EEG-Daten können dann visualisiert und mit anästhesieinduzierten Veränderungen in Verbindung gebracht werden.

Die Amplitudenspektren für jeden Sensor und die Spektralband-Leistungstopographien aller Sensoren werden dann sowohl für MEG- als auch für EEG-Daten berechnet. Die Visualisierung der Amplitudenspektren an verschiedenen Sensorstandorten ermöglicht die Beobachtung der Auswirkungen verschiedener Anästhesieniveaus auf die Signalspektren. Die Visualisierung der Leistungstopographie auf Sensorebene in verschiedenen Frequenzbändern, in diesem Fall dem Alpha-Band, ermöglicht die Beobachtung der Auswirkungen verschiedener Anästhesieniveaus auf das räumliche Aktivitätsmuster.

Die gefilterten, artefaktfreien MEG- und EEG-Daten werden dann mit Hilfe von Triggern epochiert, die mit dem Zeitpunkt der akustischen Tonabgabe verknüpft sind. Durchschnittliche auditiv evozierte Reaktionen werden dann im Laufe der Zeit auf der Grundlage der Stichprobenmittelung konstruiert. Die Visualisierung von auditiv evozierten Reaktionen auf Sensorebene ermöglicht die Charakterisierung der Auswirkungen von Anästhetika auf die Reaktionsfähigkeit des Gehirns.

Insbesondere das Erwachen der anfänglich evozierten Reaktion und das Verschwinden der später evozierten Reaktionsspitzen resultiert aus hohen Gaskonzentrationen. Es gibt viele weitere potenziell interessante Analyseschritte, die im Anschluss an diese Basisanalyse durchgeführt werden können. Da es in der Literatur viele Möglichkeiten gibt, gehen wir hier nicht im Detail darauf ein.

Zu diesen Optionen gehören die Bildgebung von MEG- und EEG-Quellen mittels Beamforming oder Minimum-Norm-Schätzung, um ein besseres Verständnis der Beziehung zwischen Gehirnaktivität und Gehirnanatomie zu erlangen. Die Analyse der funktionellen Konnektivität auf Sensor- oder Quellenebene kann Veränderungen in Gehirnnetzwerken aufdecken, die mit der Wirkung von Anästhetika verbunden sind. Es besteht auch die Möglichkeit, sich entweder auf die Analyse des Sensors oder der auditiv evozierten Reaktionen auf Quellenebene zu konzentrieren oder kontinuierliche Daten unabhängig vom auditiven Reiz zu betrachten, um anästhesieinduzierte Veränderungen in der globalen Gehirndynamik zu identifizieren.

Die makroskaligen Mechanismen der anästhesieinduzierten Bewusstseinsreduktion sind nicht gut verstanden. Hinweise aus der Literatur deuten stark auf einen Zusammenbruch der funktionellen Konnektivität hin, der anästhesieinduzierten Bewusstseinsreduktionen zugrunde liegt. Obwohl Anästhetika eine Vielzahl von molekularen Wirkzielen und unterschiedliche makroskopische Effekte auf das EEG und MEG haben, ist es immer noch nicht geklärt, ob es einen universellen oder gemeinsamen makroskaligen Mechanismus für alle Anästhetika gibt.

In dieser Arbeit haben wir ein Protokoll für die Durchführung einer Gasanästhesie unter Verwendung der mutmaßlichen NMDA-Rezeptorantagonisten Xenon und Distickstoffmonoxid bei gleichzeitiger Aufzeichnung von MEG- und EEG-Daten skizziert. Diese Methode wird die Untersuchung verschiedener gasförmiger und flüchtiger Wirkstoffe auf gleichzeitig aufgezeichneten MEG- und EEG-Daten erleichtern und damit die Suche nach universellen Mechanismen anästhesieinduzierter Bewusstseinsreduktionen ermöglichen.